تعد بطاريات الليثيوم المعدنية (LMBs)، وهي نوع ناشئ من بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن المصنوعة من معدن الحالة الصلبة بدلاً من أيونات الليثيوم، من بين تقنيات البطاريات القابلة لإعادة الشحن ذات الطاقة العالية والكثافة الواعدة. على الرغم من أنها تتمتع ببعض الخصائص المفيدة، إلا أن هذه البطاريات لها العديد من القيود، بما في ذلك ضعف كثافة الطاقة والمشكلات المتعلقة بالسلامة.
في السنوات الأخيرة، حاول الباحثون التغلب على هذه القيود من خلال تقديم تصميم بديل لخلايا بطارية الليثيوم الخالية من الأنود. يمكن أن يساعد هذا التصميم الخالي من الأنود في زيادة كثافة الطاقة وسلامة بطاريات الليثيوم المعدنية.
باحثون في المعهد الوطني للعلوم الصناعية المتقدمة و تكنولوجيا أجريت مؤخرًا دراسة تهدف إلى زيادة كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم الخالية من الأنود، وتقدم بطارية ليثيوم جديدة عالية الكثافة من الطاقة وطويلة العمر خالية من الأنود تعتمد على استخدام Li2أيها الوكيل القرباني.
تعتمد هياكل البطاريات ذات الخلايا الكاملة الخالية من الأنود عادةً على كاثود مدعم بالكامل مع مجمع تيار نحاسي أنود مكشوف. ومن اللافت للنظر أن كثافات الطاقة الوزنية والحجمية لبطاريات الليثيوم الخالية من الأنود يمكن تمديدها إلى الحد الأقصى. تتمتع معماريات الخلايا الخالية من الأنود بالعديد من المزايا الأخرى مقارنة بتصميمات LMB التقليدية، بما في ذلك التكلفة الأقل والسلامة الأكبر وإجراءات تجميع الخلايا الأكثر بساطة.
ولإطلاق العنان للإمكانات الكاملة للأجسام LMB الخالية من الأنود، يجب على الباحثين أولاً معرفة كيفية تحقيق قابلية عكس/استقرار طلاء معدن الليثيوم. في حين حاول الكثيرون حل هذه المشكلة عن طريق الهندسة واختيار إلكتروليتات أكثر ملاءمة، فإن معظم هذه الجهود لم تنجح حتى الآن.
واستكشف آخرون أيضًا إمكانية استخدام الأملاح أو المواد المضافة التي يمكن أن تحسن إمكانية عكس الطلاء/التجريد من معدن الليثيوم. وبعد مراجعة هذه المحاولات السابقة، اقترح الباحثون في المعهد الوطني للعلوم الصناعية والتكنولوجيا المتقدمة استخدام Li2O كعامل قرباني، والذي تم تحميله مسبقًا على LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 سطح - المظهر الخارجي.
وكتب الباحثون في ورقتهم البحثية: "من الصعب تحقيق قابلية عالية لانعكاس الليثيوم، خاصة بالنظر إلى خزان الليثيوم المحدود (عادة صفر فائض من الليثيوم) في تكوين الخلية". "في هذه الدراسة قدمنا لي2O كعامل قرابين تم تحميله مسبقًا على LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 الكاثود، مما يوفر مصدرًا إضافيًا للـ Li لتعويض الخسارة التي لا رجعة فيها للـ Li أثناء ركوب الدراجات على المدى الطويل في خلية أولية خالية من الأنود.
بالإضافة إلى توظيف لي2O كعامل قرباني، اقترح الباحثون استخدام مادة مضافة إيثر الفلوروبروبيل لتحييد O المحبة للنواة.2- الذي يتم إطلاقه أثناء أكسدة Li2O، ومنع التطور الإضافي للغاز O2 الناتجة عن تصنيع إلكتروليت قائم على LiF مطلي على سطح كاثود البطارية.
"لقد أظهرنا أن O2- الأنواع التي تم إطلاقها من خلال Li2وأوضح الباحثون في ورقتهم البحثية أن الأكسدة يتم تحييدها بشكل تآزري بواسطة مادة مضافة للأثير المفلور. "وهذا يؤدي إلى بناء طبقة تعتمد على LiF في واجهة الكاثود/الإلكتروليت، والتي تعمل على تخميل سطح الكاثود وتقييد التحلل التأكسدي الضار لمذيبات الأثير."
واستنادًا إلى التصميم الذي ابتكروه، تمكن يو تشياو وبقية الفريق في المعهد الوطني للعلوم الصناعية المتقدمة والتكنولوجيا من تحقيق خلية كيسية طويلة العمر تبلغ 2.46 أمبير في الساعة وخالية من الأنود. أظهرت هذه الخلية كثافة طاقة وزنية تبلغ 320 وات كجم-1، والحفاظ على قدرة 80٪ بعد 300 دورة تشغيل.
في المستقبل، الليثيوم الخالي من الأنود بطارية التي قدمتها هذه المجموعة البحثية يمكن أن تساعد في التغلب على بعض القيود المبلغ عنها بشكل شائع في LMBs. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون تصميمها مصدر إلهام لإنشاء بطاريات قابلة لإعادة الشحن تعتمد على الليثيوم مع كثافات طاقة أعلى وعمر أطول.
